引言　

    1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集團(tuán)，其英文全稱為：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group（外圍部件互連組），簡稱PCISIG。PCI總線一經(jīng)推出以來，以其獨(dú)有的特性受到眾多廠商的青睞，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線的主流。目前，國內(nèi)的許多技術(shù)人員已經(jīng)具備開發(fā)PCI總線接口設(shè)備的能力。但是PCI總線的編程技術(shù)，也就是對PCI總線設(shè)備的操作技術(shù)，一直是一件讓技術(shù)人員感到頭疼的事情。PCI總線編程的技術(shù)是對相應(yīng)板卡配置空間的理解和訪問。一般軟件編程人員基于對硬件設(shè)備原理的生疏，很難理解并操作配置空間，希望硬件開發(fā)人員直接告訴他們怎樣操作；而PCI總線硬件開發(fā)人員雖深刻地理解了其意義，在沒有太多編程經(jīng)驗(yàn)地前提下，也難于輕易地操作PCI板卡。結(jié)果大多是硬件技術(shù)人員花費(fèi)大量時間和精力去學(xué)習(xí)DDK、WINDRVER等驅(qū)動程序開發(fā)軟件。浪費(fèi)了時間不說，還大大加長了開發(fā)軟件時間。

　　本文是作者在開發(fā)PCI總線接口設(shè)備時，經(jīng)過對PCI總線協(xié)議的深入研究，從協(xié)議本身的角度出發(fā)，找到一種方面而快捷的PCI配置空間操作方法，只使用簡單的I/O命令即可找到特定的PCI總線設(shè)備并對其所有的配置空間進(jìn)行讀寫操作。一旦讀得其配置空間的內(nèi)容，即可中得到擔(dān)任系統(tǒng)對該P(yáng)CI總線設(shè)備的資源分配。希望給有需要的人帶來幫助，為大量開發(fā)軟件的同行帶來便利。

　　1 PCI總線簡介

　　PCI是Peripheral Component Interconnect（外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）的縮寫，它是目前個人電腦中使用為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。PCI插槽也是主板帶有多數(shù)量的插槽類型，在目前流行的臺式機(jī)主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有5～6個PCI插槽，而小一點(diǎn)的MATX主板也都帶有2～3個PCI插槽，可見其應(yīng)用的廣泛性。

　　PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的總線，具體由一個橋接電路實(shí)現(xiàn)對這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。

　　PCI 總線的主要性能有：

　?。?） 支持10 臺外設(shè)

　　（2） 總線時鐘頻率33.3MHz/66MHz

　?。?） 數(shù)據(jù)傳輸速率133MB/s

　　（4） 時鐘同步方式

　?。?） 與CPU 及時鐘頻率無關(guān)

　?。?） 總線寬度 32 位（5V）/64 位（3.3V）

　?。?） 能自動識別外設(shè)

　　PCI （Peripheral Component Interconnect）總線是一種高性能局部總線，是為了滿足外設(shè)間以及外設(shè)與主機(jī)間高速數(shù)據(jù)傳輸而提出來的。在數(shù)字圖形、圖像和語音處理，以及高速實(shí)時數(shù)據(jù)采集與處理等對數(shù)據(jù)傳輸率要求較高的應(yīng)用中，采用PCI總線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以解決原有的標(biāo)準(zhǔn)總線數(shù)據(jù)傳輸率低帶來的瓶頸問題。

　　PCI總線是一種同步的獨(dú)立予處理器的32位或64位局部總線，工作頻率為33MHz，峰值速度在32位時為132MB／s，64饅時必264MB／s，總線規(guī)范由PCISIG發(fā)布。ISA總線相比，PCI總線和有如下顯著的特點(diǎn)：

　?、俑咚傩?PCI局部總線以33MHz的時鐘頻率操作，采用32位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)132MB／s，遠(yuǎn)超過以往各種總線。

　?、诩床寮从眯?考慮PCI總線的高速性，單憑其即插即用性，就比ISA總線優(yōu)越了許多。

　?、劭煽啃?PCI獨(dú)立于處理器的結(jié)構(gòu)，形成一種獨(dú)特的中間緩沖器設(shè)計(jì)方式，將中央處理器子系統(tǒng)與外圍設(shè)備分開。

　?、軓?fù)雜性 PCI總線強(qiáng)大的功能大大增加了硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的實(shí)現(xiàn)難度。

　?、葑詣优渲?PCI總線規(guī)范規(guī)定PCI插卡可以自動配置。

　?、薰蚕碇袛?PCI總線是采用低電平有效方式，多個中斷可以共享一條中斷線，而ISA總線是邊沿觸發(fā)方式。

　?、邤U(kuò)展性好 如果需要把許多設(shè)備連接到PCI總線上，而總線驅(qū)動能力不足時，可以采用多級PCI總線，這些總線上均可以并發(fā)工作，每個總線上均可掛接若干設(shè)備。

　?、喽嗦窂?fù)用 在PCI總線中為了優(yōu)化設(shè)計(jì)采用了地址線和數(shù)據(jù)線共用一組物理線路。

　?、釃?yán)格規(guī)范 PCI總線對協(xié)議、時序、電氣性能、機(jī)械性能等指標(biāo)都有嚴(yán)格的規(guī)定，保證了PCI的可靠性和兼容性。

　　2 PCI總線配置空間及配置機(jī)制

　　為避免各PCI設(shè)備在資源的占用上發(fā)生沖突，PCI總線采用即插即用協(xié)議。即在系統(tǒng)建立時由操作系統(tǒng)按照各設(shè)備的要求統(tǒng)一分配資源，資源分配的信息由系統(tǒng)寫入各PCI設(shè)備的配置空間寄存器，并在操作系統(tǒng)內(nèi)部備份。各PCI設(shè)備有其獨(dú)自的配置空間，設(shè)計(jì)者通過對積壓設(shè)備（或插槽）的ISDEL引腳的驅(qū)動區(qū)分不同設(shè)備的配置空間。配置空間的前64個字節(jié)稱為配置空間的預(yù)定自區(qū)，它對每個設(shè)備都具有相同的定義且必須被支持；共后的空間稱為設(shè)備關(guān)聯(lián)區(qū)，由設(shè)備制造商根據(jù)需要定義。與編程有關(guān)的配置空間信息主要有：

　?。?）設(shè)備號（Device ID）及銷售商號（Vendor ID），配置空間偏移量為00h，用于對各PCI設(shè)備的區(qū)分和查找。為了保證其性，Vendor ID應(yīng)當(dāng)向PCI特別興趣小組（PCI SIG）申請而得到。

　?。?）PCI基地址（PCI Base Address），配置空間偏移量為10～24h，設(shè)備通過設(shè)定可讀寫的高位數(shù)值來向操作系統(tǒng)指示所需資源空間的大小。比如，某設(shè)備需要64K字節(jié)的內(nèi)存空間，可以將配置空間的某基地址寄存器的高16位設(shè)成可讀寫的，而將低16位置為0（只可讀）。操作系統(tǒng)在建立時，先向所有位寫1，實(shí)際上只有高16位被接收而被置成了1，低16位仍為0.這樣操作系統(tǒng)讀取該寄存器時，返回值為FFFF0000h，據(jù)此操作系統(tǒng)可以斷定其需要的空間大小是64K字節(jié)，然后分配一段空閑的內(nèi)存空間并向該寄存器的高16位填寫其地址。

　　其它可能與編程有關(guān)的配置空間的定義及地址請參閱參考文獻(xiàn)[1]。

　　由于PC-AT兼容系統(tǒng)CPU只有內(nèi)存和I/O兩種空間，沒有專用的配置空間，PCI協(xié)議規(guī)定利用特定的I/O空間操作驅(qū)動PCI橋路轉(zhuǎn)換成配置空間的操作。目前存在兩種轉(zhuǎn)換機(jī)制，即配置機(jī)制1#和配置機(jī)制2#。配置機(jī)制2#在新的設(shè)計(jì)中將不再被采用，新的設(shè)計(jì)應(yīng)使用配置機(jī)制1#來產(chǎn)生配置空間的物理操作。這種機(jī)制使用了兩個特定的32位I/O空間，即CF8h和CFCh。這兩個空間對應(yīng)于PCI橋路的兩個寄存器，當(dāng)橋路看到CPU在局部總線對這兩個I/O空間進(jìn)行雙字操作時，就將該I/O操作轉(zhuǎn)變?yōu)镻CI總線的配置操作。寄存器CF8h用于產(chǎn)生配置空間的地址（CONFIG-ADDRESS），寄存器CFCh用于保存配置空間的讀寫數(shù)據(jù)（CONFIG-DATA）。

　　配置空間地址寄存器的格式如圖1。

　　CF8H（局部總線）：

　　當(dāng)CPU發(fā)出對I/O空間CFCh的操作時，PCI橋路將檢查配置空間地址寄存器CF8h的31位。如果為1，就在PCI總線上產(chǎn)生一個相應(yīng)的配置空間讀或?qū)懖僮?，其地址由PCI橋路根據(jù)配置空間地址寄存器的內(nèi)容作如圖2所示的轉(zhuǎn)換。

　　CFCh （局部總線）：

　　設(shè)備號被PCI橋路譯碼產(chǎn)生PCI總線地址的高位地址，它們被設(shè)計(jì)者用作IDSEL信號來區(qū)分相應(yīng)的PCI設(shè)備。6位寄存器號用于尋址該P(yáng)CI設(shè)備配置空間62個雙字的配置寄存器（256字節(jié)）。功能號用于區(qū)分多功能設(shè)備的某特定功能的配置空間，對常用的單功能設(shè)備為000。某中PCI插槽的總線號隨系統(tǒng)（主板）的不同稍有區(qū)別，大多數(shù)PC機(jī)為1，工控機(jī)可能為2或3。為了找到某設(shè)備，應(yīng)在系統(tǒng)的各個總線號上查找，直到定位。如果在0～5號總線上不能發(fā)現(xiàn)該設(shè)備，即可認(rèn)為該設(shè)備不存在。

　　理解了上述PCI協(xié)議里的配置機(jī)制后，就可以直接對CF8h和CFCh兩個雙字的I/O空間進(jìn)行操作，查找某個PCI設(shè)備并訪問其配置空間，從而得到操作系統(tǒng)對該P(yáng)CI設(shè)備的資源分配。

　　3 用I/O命令訪問PCI總線配置空間

　　要訪問PCI總線設(shè)備的配置空間，必須先查找該設(shè)備。查找的基本根據(jù)是各PCI設(shè)備的配置空間里都存有特定的設(shè)備號（Device ID）及銷售商號（Vendor ID），它們占用配置空間的00h地址。而查找的目的是獲得該設(shè)備的總線號和設(shè)備號。查找的基本過程如下：用I/O命令寫配置空間的地址寄存器CF8h，使其位為1，總線號及設(shè)備為0，功能號及寄存器號為0，即往I/O端口CF8h80000000h；然后用I/O命令讀取配置空間的數(shù)據(jù)寄存器CFCh。如果該寄存器值與該P(yáng)CI設(shè)備的Device ID及Vendor ID不相符，則依次遞增設(shè)備號/總線號，重復(fù)上述操作直到找到該設(shè)備為止。如果查完所有的設(shè)備號/總線號（1～5）仍不能找到該設(shè)備，則應(yīng)當(dāng)考慮硬件上的問題。對于多功能設(shè)備，只要設(shè)備配置寄存器相應(yīng)的功能號值，其余步驟與單功能設(shè)備一樣。

　　如查找設(shè)備號為9054h，銷售商號為10b5的單功能PCI設(shè)備，用VC++6.0編寫的程序如下：

　　char bus;char device;

　　unsigned int ioa0,iod;

　　int scan（ ）

　　{

　　bus=0;device=0;

　　for（char i=0;i<5;i++） {

　　for（char j=0;j<32;j++） {

　　bus=i; device=j;

　　ioa0=0x80000000+bus*0x10000

　　+（device*8）*0x100;

　　_outpd（0xcf8,ioa0）；

　　iod=_inpd（0xcfc）；

　　if （iod0= =0x905410b5） return 0;

　　}

　　}

　　retrn -1

　　}

　　調(diào)用子程序scan（ ），如果返回值為-1，則沒有找到該P(yáng)CI設(shè)備。如果返回值為0，則找到了該P(yáng)CI設(shè)備。該設(shè)備的總線號和設(shè)備號分別在全局變量bus和device中，利用這兩個變量即可輕易對該設(shè)備的配置空間進(jìn)行訪問，從而得到分配的資源信息。假設(shè)該P(yáng)CI設(shè)備占用了4個資源空間，分別對應(yīng)于配置空間10h～1ch，其中前兩個為I/O空間，后兩個為內(nèi)存空間，若定義其基地址分別為ioaddr1,ioaddr2,memaddr1,memaddr2,相應(yīng)的程序如下：

　　unsigned short ioaddr1,ioaddr2;

　　unsigned int memaddr1,memaddr2;

　　unsigned int iobase,ioa;

　　void getbaseaddr（char bus,char device）；

　　{

　　iobase=0x80000000+bus*0x10000+（device*8）*0x100;

　　ioa=iobase+0x10;/*尋址基地址寄存器0*/

　　_outpd（0xcf8,ioa）；

　　ioaddr1=（unsigned short）_inpd（0xcfc）&0xfffc;

　　/*屏蔽低兩位和高16位*/

　　ioa=iobase+0x14; /*尋址基地址寄存器1*/

　　_outpd（0xcf8,ioa）；

　　ioaddr2=（unsigned short）_inpd（0xcfc）&0xfffc;

　　ioa=iobase+0x18;/*尋址基地寄存器2*/

　　_outpd（0xcf8,ioa）；

　　memaddr1=_inpd（0xcfc） & 0xfffffff0;

　　/*屏蔽低4位*/

　　ioa=iobase+0x1c; /*尋址基地址寄存器3*/

　　_outpd（0xcf8,ioa）；

　　memaddr2=_inpd（0xcfc） & 0xfffffff0;

　　}

　　對于I/O基地址，兩位D0、D1固定為01，對地址本身無效，應(yīng)當(dāng)被屏蔽。對PC-AT兼容機(jī)，I/O有效地址為16位，因此高位也應(yīng)被屏蔽。對于內(nèi)存地址，位D0固定為0，而D1～D3用于指示該地址的一些物理特性[1]，因此其低4位地址應(yīng)當(dāng)被屏蔽。需要指出的是該內(nèi)存地址是系統(tǒng)的物理地址，在WINDOWS運(yùn)行于保護(hù)模式時，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的線性地址才能對該內(nèi)存空間進(jìn)行直接讀寫。介紹該轉(zhuǎn)換方法的相關(guān)文章較為常見，此處不再贅述。

　　上述程序給出了讀取配置空間里的基地址的方法。另有相當(dāng)多PCI設(shè)備通過配置空間的設(shè)備關(guān)聯(lián)區(qū)來設(shè)置該設(shè)備的工作狀態(tài)，可輕易地用I/O命令進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，無須編寫繁雜的驅(qū)動程序。在開發(fā)PCI視頻圖像采集卡的過程中，該方法得到了實(shí)際應(yīng)用。相信可以給大家?guī)聿簧俜奖恪?/P>
  

參考文獻(xiàn):

[1]. PCI  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/PCI+_1201469.html.